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高二物理选择性必修二2.3《涡流、电磁阻尼和电磁驱动》导学案
学习目标：1.知道感生电场和感生电动势的概念及产生原因．
2.了解涡流的产生过程，通过实例的分析，了解涡流现象在生活和生产中的应用．
3.了解电磁阻尼、电磁驱动，知道其在生活和生产中的应用.
学习过程：
一、电磁感应现象中的感生电场
1．感生电场
麦克斯韦认为：磁场变化时会在空间激发一种 ，这种电场叫作 ．
2．感生电动势
由感生电场产生的 叫 ．
(1)变化的磁场周围产生感生电场，与闭合电路是否存在 关。如果在变化磁场中放一个闭合电路，自由电荷在感生电场的作用下发生 移动。
(2)感生电场可用 形象描述。感生电场是一种漩涡电场，电场线是闭合的，而静电场的电场线不闭合。
(3)感生电场的方向根据 用右手螺旋定则判断，感生电动势的大小由法拉第电磁感应定律E＝ 计算。
例1：（多选）如图所示，一个闭合线圈静止于磁场中，由于磁场强弱的变化，而使线圈中产生了感应电动势，下列说法中正确的是 (　　)
A.使电荷定向移动形成电流的力是磁场力
B.磁场变化时，会在空间激发一个电场
C.从上往下看，当磁场增强时，线圈中有逆时针方向的感应电流
D.使电荷定向移动形成电流的力是电场力
变式训练：（多选）下列说法中正确的是 (　　)
A.感生电场由变化的磁场产生 B.恒定的磁场也能在周围空间产生感生电场
C.感生电场的方向同样也可以用楞次定律和右手螺旋定则来判定
D.感生电场的电场线是闭合曲线，其方向一定是沿逆时针方向
3．电子感应加速器
电子感应加速器是利用 使电子 的设备，当电磁铁线圈中电流的 、 发生变化时，产生的感生电场使电子 ．
二、涡流
1．涡流：当线圈中的电流随 变化时，线圈附近的任何导体中都会产生 ，用图表示这样的感应电流，就像水中的 ，所以把它叫作 ，简称 ．
2．涡流大小的决定因素： 变化越快(越大)，导体的横截面积S越 ，导体材料的 越小，形成的 就越大．
例2：如图所示是冶炼金属的真空冶炼炉的示意图，冶炼炉内装入被冶炼的金属，线圈通入高频交变电流，这时炉内被冶炼的金属就会熔化。这种冶炼方法速度快、温度容易控制，并能避免杂质混入被冶炼金属中，因此适于冶炼特种金属。该炉的加热原理是 (　　)
A.利用线圈中电流产生的焦耳热 B.利用红外线
C.利用交变电流的交变磁场在炉内金属中产生的涡流
D.利用交变电流的交变磁场所激发的电磁波
变式训练：电磁炉又名电磁灶（图1），它无须明火或传导式加热而让热直接在锅底产生，因此热效率得到了极大的提高。图2是描述电磁炉工作原理的示意图，下列说法正确的是（　　）
A．电磁炉通电线圈加直流电，电流越大，电磁炉加热效果越好
B．电磁炉原理是通电线圈加交流电后，在锅底产生涡流，进而发热工作
C．在锅和电磁炉中间放一绝缘物质，电磁炉不能起到加热作用
D．电磁炉的锅不能用陶瓷锅或耐热玻璃锅，主要原因是这些材料的导热性能较差
三、电磁阻尼
当导体在磁场中运动时，感应电流会使导体受到 ，安培力的方向总是 导体的运动，这种现象称为 ．
例3：(多选)关于电磁阻尼，下列说法正确的是 (　　)
A.当导体在磁场中运动时，感应电流会使导体受到安培力，安培力总是阻碍导体运动的现象称为电磁阻尼
B.磁电式仪表利用电磁阻尼原理使指针迅速停下来，从而便于读数
C.电磁阻尼是导体因感应电流受到的安培力对导体做负功的现象，阻碍导体运动
D.电磁阻尼现象实质上不是电磁感应现象，但分析时同样遵循楞次定律
变式训练：灵敏电流计的零刻度位于刻度盘中央，为了使灵敏电流计的指针在零刻度附近快速停下，实验小组的同学设计利用“电磁阻尼”来实现这一目的。他们设计了如图所示的甲、乙两种方案，甲方案和乙方案中的相同磁场均位于零刻度线下方，甲方案在指针转轴上装上扇形铝板，乙方案在指针转轴上装上扇形铝框，下列说法正确的是（　　）
A．因为铝框较铝板质量小，所以乙方案比甲方案更加合理
B．乙方案中，铝框小幅度摆动时一定会产生感应电流
C．甲方案中，即使铝板摆动幅度很小，铝板中也能产生涡流
D．因为穿过铝框的磁通量更大，所以乙方案更合理
四、电磁驱动
若磁场相对于 转动，在导体中会产生 ，感应电流使导体受到安培力的作用，安培力使导体运动起来，这种作用常常称为 ．
例4：(多选)如图所示为演示电磁驱动的装置，图中①是磁铁，②是电机，当电机带动磁铁旋转时，靠近它们的金属圆盘(图中③)也会绕轴转动起来。关于电磁驱动与电磁阻尼，下列说法正确的是 (　　)
A.电磁驱动是一种非接触传动，它减小了皮带或齿轮传动的粉尘、噪音、震动等危害，还能避免磨损问题
B.电磁驱动离不开涡流，正是磁场对涡流的作用力，实现了这种非接触传动，而且磁铁和圆盘的转速可以达到同步
C.电磁驱动效率可以达到100%
D.磁电式仪表运输过程中用导线将正负接线柱短接，利用了电磁阻尼
变式训练：如图，将一空的铝质易拉罐倒扣于笔尖上，在“冂”型木框两侧各固定一个强铷磁铁，用电钻控制木框匀速转动，发现木框虽然不与易拉罐接触，但易拉罐也会随木框转动。则下列说法正确的是（ ）
A．木框的转速总比易拉罐的大 B．易拉罐与木框的转动方向相反
C．易拉罐与木框保持相同的转速同方向转动 D．两个磁铁必须异名磁极相对
课后巩固练习
1、英国物理学家麦克斯韦认为，磁场变化时会在空间激发感生电场。如图所示，一个半径为r的绝缘细圆环水平放置，环内存在竖直向上的匀强磁场，环上套一带电荷量为＋q的小球，已知磁感应强度B随时间均匀增加，其变化率为k，若小球在环上运动一周，则感生电场对小球的作用力所做功的大小是（　　）
A．0 B． r2qk C．2πr2qk D．πr2qk
2、如图是汽车上使用的电磁制动装置示意图。与传统的制动方式相比，电磁制动是一种非接触的制动方式，避免了因摩擦产生的磨损。电磁制动的原理是当导体在通电线圈产生的磁场中运动时，会产生涡流，使导体受到阻碍运动的制动力。下列说法正确的是（　　）
A．制动过程中，导体不会产生热量
B．制动力的大小与导体运动的速度有关
C．线圈一定是通交流电
D．如果改变线圈中的电流方向，可以使导体获得促进它运动的动力旋转轴运动导体（转盘）
3、以下四图都与电磁感应有关，下列说法正确的是（　　）
A．真空冶炼炉能在真空环境下，使炉内的金属产生涡流，从而炼化金属
B．当蹄形磁体顺时针转动时，铝框将朝相反方向转动
C．金属探测器通过使用恒定电流的长柄线圈来探测地下是否有金属
D．磁电式仪表，把线因绕在铝框骨架上，目的是起到电磁驱动的作用
4、如图所示，一根两端开口的铜管竖直放置，一磁性较强的柱形磁体从上端放入管中，过了较长时间才从铜管下端落出，比自由落体慢了许多，则（　　）
A．磁体下落变慢，主要是由于磁体受到了空气的阻力
B．磁体下落变慢，主要是由于磁体受到金属铜的吸引
C．磁体下落变慢，主要是变化的磁场在铜管内激发出了涡流
D．铜管内感应电流方向保持不变
5、将圆柱形强磁铁吸在干电池的负极，强磁铁的N极朝上S极朝下，金属导线折成上端有一支点，下端开口的导线框，使导线框的顶端支点和底端分别与电源的正极和磁铁都接触良好但不固定，这样整个线框就可以绕电池旋转起来．下列判断正确的是（ ）
A．线框能旋转起来，是因为电场力 B．俯视观察，线框沿逆时针方向旋转
C．电池输出的电功率大于线框旋转的机械功率 D．导线框将上下振动
6、实验室使用的电流表是磁电式电流表，其外观如左图所示，内部构造如图所示。该表的骨架用铝框做成，运输时常用短路片连接正负接线柱来保护。下列关于其结构和运输做法的叙述中正确的是（　　）
A．用铝框做成骨架，主要是因为铝的密度小，转动轻巧
B．因线圈是铜质的，故除铜外的其它材质均可做骨架
C．运输时短接，能避免指针受损
D．运输时短接，使之成为一体，可避免雷击
7、如图所示的金属探测器可以检查是否有违规违禁物品。工作时，探测器中的发射线圈通以电流，附近的被测金属物中感应出电流，感应电流的磁场反过来影响探测器线圈中的电流，使探测器发出警报，下列说法中正确的是（　　）
A．违规携带的手机只有发出通讯信号时才会被探测到
B．探测器与被测金属物相对静止时不能发出警报
C．探测环中的发射线圈通的是恒定电流
D．探测环中的发射线圈通的是交变电流
8、如图所示是一个水平放置的玻璃圆环形小槽，槽内光滑，槽宽度和深度处处相同．现将一直径略小于槽宽的带正电小球放在槽中，让它获得一初速度v0，与此同时，有一变化的磁场垂直穿过玻璃圆环形小槽外径所在的区域，磁感应强度的大小跟时间成正比例增大，方向竖直向下．设小球在运动过程中电荷量不变，则(　 　)
A．小球需要的向心力大小不变 B．小球需要的向心力大小不断增大
C．洛伦兹力对小球做了功 D．小球受到的洛伦兹力大小与时间成正比
9、电磁感应铝箔封口机被广泛应用在医药、食品、化工等生产行业的产品封口环节中。如图所示为一手持式封口机，它的工作原理是：在封口机工作时，套在瓶口上的封口头内的线圈有电流通过，致使靠近线圈(但与线圈绝缘)的铝箔自行快速发热，熔化复合在铝箔上的溶胶，从而粘贴在被封容器的瓶口处，达到迅速封口的目的。下列有关说法正确的是 (　　)
A.封口材料可用普通塑料来代替铝箔
B.封口机工作时封口头内的线圈中有短时间的恒定电流通过
C.可以通过控制封口头内线圈中电流的频率来设定铝箔发热的功率
D.封口头内线圈中电流产生的磁场方向应当与铝箔表面平行
10、电磁阻尼指的是当导体在磁场中运动时，感应电流会使导体受到安培力，安培力的方向总是阻碍导体的运动的这种现象，电磁阻尼现象源于电磁感应原理，电磁阻尼现象广泛应用于需要稳定摩擦力以及制动力的场合，例如电度表、电磁制动机械，甚至磁悬浮列车等，如图所示是依附建筑物架设的磁力缓降高楼安全逃生装置，具有操作简单、无需电能、逃生高度不受限制，下降速度可调、可控等优点，该装置原理可等效为：间距L=0.5m的两根竖直导轨上部连通，人和磁铁固定在一起沿导轨共同下滑，磁铁产生磁感应强度B=0.2T的匀强磁场，人和磁铁所经位置处，可等效为有一固定导体棒cd与导轨相连，整个装置总电阻始终为R，如图所示，在某次逃生试验中，质量M1=60Kg的测试者利用该装置以v=2m/s的速度匀速下降，已知与人一起下滑部分装置的质量m=20kg，重力加速度取g=10m/s2，且本次试验过程中恰好没有摩擦。
（1）判断导体棒cd中电流的方向；
（2）总电阻R多大？
（3）如要使一个质量M2=100Kg的测试者利用该装置以v1=2m/s的速度匀速下滑，其摩擦力多大？
（4）保持第（3）问中的摩擦力不变，让质量M2=100Kg测试者从静止开始下滑，测试者的加速度将会如何变化？当其速度为v2=1m/s时，加速度a多大？
参考答案：
一、 电场 感生电场 电动势 感生电动势 无 定向 电场线 楞次定律 n 例1：BD 变式训练：AC 感生电场 加速 大小 方向 加速
二、 时间 感应电流 旋涡 涡电流 涡流 磁场 大 电阻率 涡流 例2：C 变式训练：B
三、 安培力 阻碍 电磁阻尼 例3：ABC 变式训练：C
四、 导体 感应电流 电磁驱动 例4：AD 变式训练：A
课后巩固练习
1、 D 2、B 3、A 4、C 5、 C 6、C 7、D 8、B 9、C
10、（1）从d到c；（2）2.5×10-5Ω；（3）400N；（4）逐渐a减小，最终趋近于0，3.3m/s2

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